新型智能面料：半导体纤维及其光电通信

  ICCSZ讯 近日，麻省理工学院和美国先进功能织物联盟(AFFOA)的研究人员首次研究出具有嵌入式电子元件的纤维，这种纤维非常柔软，可以编织成柔软的织物并制成可穿着的衣服。其相关工作以“Diode fibres for fabric-based optical communications”为题，于8月8日发表在《Nature》期刊上。

  该论文通讯作者为麻省理工学院的Yoel Fink教授。

  早在2015年，谷歌公司就曾开发出一种可以织入面料的高导电的纱线，这种智能面料可以将触摸功能和手势操作功能编入面料，直接让衣服变成触摸屏。从此，衣服不仅仅追求时尚，也将成为科技生活的一部分。但是，由于加工工艺的难题，这种智能面料至今没有大规模进入市场。

  近年来，随着复合材料的发展和人们智能化生活的需求，科学家们已经开发出各式各样的功能纤维。顾名思义，功能纤维就是指在纤维现有的性能之外，还具有某些特殊功能，如导电纤维、光导纤维等。将功能纤维与纺织品结合，并赋予衣物新功能，一直是科学家们关注的热点。

  半导体二极管是现代计算、通信和传感技术的基本组成部分。因此，将它们整合到纺织品级的纤维中，可以提高织物的“聪明度”，例如，以织物为基础的通信或生理监测系统。目前已经证明，在纤维预成型时，通过纤维拉伸工艺将具有不同电子和光学性质的材料融合到单丝中，可以增加纤维和织物的功能性。然而，该方法仅限于可以在其粘性状态下共同拉伸的材料，并且其性能比不上使用基于晶圆制备方法得到的“器件级”材料。到目前为止，在热拉伸纤维中实现高质量半导体二极管还存在一些加工技术的挑战。

  麻省理工学院的研究人员将高速光电半导体器件(包括发光二极管(LED)和二极管光电探测器)嵌入到纤维中，制成柔软的可清洗织物，并形成了完整的通信系统。这标志着我们已经通过引入半导体器件，初步实现了“智能化”面料，填补了迄今为止制造具有复杂功能的面料的技术空白。

  在这项工作中，麻省理工的研究人员采用了一种电连接二极管纤维的热拉伸工艺，将预制棒(preform)的拉伸与高性能半导体器件相结合。首先，他们制造了一个大块的预制棒，在该结构内部存在分立的二极管以及空心通道，通过该空心通道可以馈送(feed)导电铜或钨丝。当预制棒被加热并被拉成纤维时，将导线逐渐接近二极管直到它们形成电接触，从而在单根纤维内并联数百个二极管。最终，他们得到了两种类型的纤维内器件：发光二极管和光电检测“p-i-n”二极管。通过在纤维的包层内设计光学透镜，可以实现光准直和聚焦，并且使器件间距小于20厘米。

  这种功能化的纤维材料具有一个明显的优点：纤维本身就具有优异的防水性能，并且将这种二极管纤维清洗10遍后，依然能够保持其原有的功能性。为了证明这一点，该团队将一些光电探测纤维放入鱼缸内，在鱼缸外面放一盏灯，就可以将音乐以光学信号的形式快速通过水传送给光纤;鱼缸中的光纤可以将光脉冲转换成电脉冲信号，最后再转换成音乐。研究人员发现：纤维在水中放置数周后仍能保持其性能。

  为了证明这种纤维的光通信性能，他们在两种含有接收/发射极纤维的织物之间，建立了一个3MHz双向光通信链路。同时，利用二极管的光电容积脉搏波脉冲测量方法(photoplethysmography pulse measurement)，该智能织物能够实时检测人体的生理状态，比如心率、呼吸或者脉搏等。

  研究人员表示，他们的方法提供了一条在纤维中实现更复杂功能的途径，预计未来几年纤维界会出现一个新的“摩尔定律”。换言之，就像过去数十年集成电路性能的发展一样，光纤的功能复杂度将随着时间的推移呈指数级迅速增长。研究人员已经在逐步扩展面料的基本功能，包括通信、照明、生理监测等。未来几年，这种类似的智能面料将为我们提供更多的增值服务，不再仅仅是美观和舒适的选择。

  a、预制棒结构图；

  b、预制棒拉伸过程的示意图。

  a、发光纤维的示意图；

  b、包含InGaN蓝色LEDs 的发光纤维图片；

  c、包含InGaN LEDs 的发光纤维发出绿色；

  d、包含InGaN LEDs 的发光纤维发出红色；

  e、光探测纤维结构示意图；

  f、包含GaAs器件的纤维电流-电压曲线；

  g、光探测纤维的带宽测量(蓝圈)。

  a、嵌入织物中的发光和光检测纤维。

  b、两根透镜式光纤之间的通信。

  c、光电检测纤维的检测电流信号。

  a、双向通信系统概念的示意图。

  b、将光检测纤维嵌入织物中的光电检测纤维记录的电流实验结果。

  c、使用发光(绿光虚线)和光电检测(黑色虚线)的光电容积脉搏波脉冲测量装置的示意图，纤维彼此相距5毫米。

  d、由光电检测光纤测量的电流(黑色曲线)与商用脉冲传感器的输出(红色曲线)相比的实验结果。

  论文链接： https://www.nature.com/articles/s41586-018-0390-x